探討高層建筑深基坑支護設計
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摘要：高層建筑通常基礎埋深偏大，以致往往需要在基坑開挖的過程中予以相應地支護與止水施工。尤其是對于地質水文情況復雜或毗鄰構筑物、地下管線等情況時，更須將相應地支護、降水等工作做好做到位，以有效規避因防護、處治不到位而致使基礎沉降不均或地下管線變形等情況出現。本文以南昌某高層建筑施工項目的深基坑支護設計為例，對高層建筑深基坑支護設計思路展開簡要探討，以期可為眾設計同人在開展類似項目的基坑支護設計時有所裨益。
關鍵詞：深基坑；支護設計；方案比選；方案分析
1工程概況
1.1項目概況
南昌市某城市棚戶區改造安置房建設項目位于南昌市羅家西路以東、南鋼鐵路專用線以南、羅家中路以西、廣州路以北。擬建項目建筑物由八棟高層建筑和一棟商業樓組成，設置一層整體地下室，框剪結構。地下室占地面積約30700m2，基坑周長約1000m，地面整平標高19.5m，基坑承臺底標高13.00m，基坑開挖深度為6.5m，基坑安全等級為二級。
1.2周邊環境
根據本項目工程周邊地下管線資料，擬建場地東側及南側有較多市政給排水、電力以及電信管線等分布，基坑西側羅家西路道路下埋設各種給排水及雨污水管線，周邊管線較多，為避免基坑開挖過程因出現過大變形而對管線造成不良影響，須合理選擇基坑開挖支護方案，以有效確保基坑周邊管線的安全。
1.3地質水文
擬建場地位于江西省南昌市青山湖區，根據場地實際地質勘察結果分析，擬建場地地層結構主要分為第四系人工填土（Q4ml）、第四系上更新統沖積層（Q4al、Q3al）及第三系新余群（Exn）組成。按巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為：①雜填土→②-1粉質黏土→②-2細砂→③淤泥質粉質黏土→④粉質黏土→⑤粗砂→⑥礫砂→⑦圓礫→⑧-1強風化風化泥質粉砂巖→⑧-2中風化泥質粉砂巖組成。③淤泥質粉質黏土呈高壓縮性，高含水率、土質軟弱等不良地質特點，物理力學性質相對較差，尤其在外荷載下土體強度極易降低，開挖中應盡量避免土體擾動。場地內地下水主要為松散巖類孔隙水，主要賦存于第四系沙礫層中，②-1粉質黏土、③淤泥質粉質黏土及④層粉質黏土為其相對隔水頂板，下伏基巖為相對隔水層底板。勘察期間屬豐水期，實測該層地下水穩定水位高程為9.94m~14.47m，平均穩定水位高程為12.70m，水位年變幅1.5m~3.0m。考慮水位變幅影響，設計地下水位標高取15.00m。基坑支護設計巖土參數建議值如表1所示（表中帶“*”為經驗值）、
2.1設計原則
深基坑支護設計，不僅關系基坑開挖、周邊環境的安全，而且還直接影響土方開挖、地下結構的成本，其支護類型多種多樣，主要分為土釘墻、排樁（灌注樁、攪拌樁、旋噴樁等）、地下連續墻與錨桿組合等，因此，在深基坑支護設計時必須綜合考量多方面影響支護穩定性、可行性、經濟性等多方面因素，并遵循如下設計原則：（1）深基坑支護結構安全等級為二級，深基坑重要性系數為1.0，地面超載值為20kPa。（2）深基坑支護結構平面布置應結合建筑地下室邊墻的外界尺寸，并根據相關規范運行的結構受力、變形情況以及施工誤差等予以合理放線施工，同時，還要能夠滿足建筑地下室對于凈空的要求。（3）深基坑支護計算采用同濟啟明星基坑計算分析軟件，施工階段控制支護結構的最大變形量中，側向位移不得超過允許的變形值40mm，地表沉降不得超過允許沉降量30mm，周邊鄰近管線沉陷量控制不得超過10mm。
2.2方案比選
基坑支護是個系統工程，不僅需要受力合理，同時要方便施工，工期可控，因此，在方案的選取時應綜合不同地質條件、水文條件、周邊環境等多方面因素予以合理選取。該項目基坑開挖深度不大，周邊環境不復雜，但土質較差，地下水位高。如果開挖過程中控制不當，極有可能導致鄰近道路、管線失穩，因此，本基坑支護設計的關鍵點，是采取合理的支護體和止水措施，以保證基坑開挖的快捷安全。（1）支護形式。根據基坑地質水文條件、周邊環境特點，結合類似工程經驗，該工程建議采用順作法、整體開挖施工方案。根據南昌類似工程成功經驗，基坑工程的支護結構一般有灌注樁、土釘墻等可供選擇，而這兩種支護形式又各有優劣（見表2），就本項目而言，其適用性為：①灌注樁施工工藝簡單，灌注樁布置形式靈活，造價低，適用基坑開挖深度不大且周邊環境比較空曠的場地，本項目基坑符合該條件；②因場地有限不能提供足夠的空間放坡，因此土釘墻支護形式對本基坑不適用。（2）降水措施。對地下水的處理，一般采取兩種思路，一是降低地下水位至基底，二是周邊用三軸攪拌樁或高壓旋噴樁，形成止水帷幕隔水。考慮到本基坑周邊有施工道路及市政道路，降水對道路影響較大，因此采用第二種方式即止水措施。本基坑水頭差為2m、基巖埋深較深、周邊環境較簡單，但存在較厚的礫砂和圓礫層，且粒徑較大，三軸攪拌樁下鉆會很困難，因此采用樁間插入高壓旋噴樁懸掛式帷幕止水。為滿足地下室施工干作業，可設置降水井使基坑地下水位降至基底以下0.5m。結合本工程的地質水文情況、周邊環境因素，綜合考慮工程施工的可行性、安全性、經濟性以及工期的可控性，基坑支護設計擬定方案為灌注樁懸臂支護，結合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水方案。
2.3方案設計
根據擬建場地工程地質條件及水文條件，以及周邊道路及地下管線情況，采用灌注樁懸臂支護，并結合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水。該高層建筑深基坑設計深6.5m，地下室結構外邊線與用地紅線最小距離為7.5m，紅線以外為施工便道，無管線標注。計算土層結構大致為雜填土2.5m、粉質黏土3.8m、淤泥質黏土1.3m、粉質黏土2.7m、粗砂3.4m、礫砂3.2m以及圓礫9.2m。（1）灌注樁懸臂支護。基坑采用灌注樁樁徑1.1m懸臂支護、間距1.3m、樁長20m，樁間Φ700插縫高壓旋噴樁，嵌固深度為14.4m，樁頂冠梁截面為1.2×0.9m。用該設計計算整體穩定安全系數為2.78，抗傾覆穩定安全系數1.86，樁頂位移36.3mm，地面沉降21mm，均能滿足規范要求（基坑支護剖面圖如圖1）。（2）高壓旋噴樁止水。由于本工程周邊市政道路較多，若采取降水則勢必會造成周邊道路發生沉降，因此，考慮采取止水措施，但本項目由于存在較厚的礫砂和圓礫層，故采取樁間插入高壓旋噴樁懸掛式帷幕止水，樁徑0.7m，樁長20m。
3高層建筑深基坑支護設計方案分析
3.1基坑開挖對周邊環境的影響
通常而言，基坑開挖對周邊環境的影響主要包括以下幾個方面：（1）因基坑開挖卸載導致周邊建筑地基失穩、沉降、開裂等；（2）軟弱土層地質段嵌固深度不足致使坑底隆起；（3）由于開挖過程中地下水控制不當導致管涌、水位下降等；（4）基坑開挖施工中，大型設備所導致的噪聲擾民或施工中產生的淤泥外排造成的環境污染等。因此，基坑開挖施工前，在深基坑支護設計階段，務須全面考量基坑周邊的環境因素，并通過合理可靠的支護加固及止水方案，確保基坑開挖過程的安全性與穩定性。由于建筑深基坑開挖施工的復雜性，使得無法完全模擬基坑開挖的實際過程，本項目深基坑支護設計采用同濟啟明星基坑開挖環境影響分析軟件JK3E做有限元分析，選取最不利的DA段對基坑開挖環境影響分析。分析中土體采用三角形單元，圍護結構、鄰近基礎、工程樁和隧道采用梁單元，內支撐采用彈簧。考慮圍護結構、鄰近基礎、工程樁和隧道與土體共同作用，在管線相應位置建立節點，來間接反映基坑開挖對地下管線的影響，即不考慮管線自身的剛度影響。圍護結構與土之間設接觸面單元，周邊環境影響分析如下表3所示。由上表管線1、管線2的監測及計算結果發現，本項目中基坑開挖周邊管線的水平位移及最大沉降均滿足施工規范允許的位移與沉降值中10mm的要求，因此，均滿足基坑開挖施工的相關要求。
3.2基坑開挖的水平變形分布情況
水平變形分布情況（如圖2）表4中理論計算結果表明，圍護結構側移最大值為36.6mm，周邊地表沉降最大值為24.2mm，臨近管線最大沉降為2.0mm，均滿足規范及設計要求。基坑開挖對周邊環境的影響在可控范圍之內，在實際施工中還需加強施工監測，進行信息化施工。
4結語
通過對深基坑的支護結構予以科學比選、設計，既可確保建筑基礎開挖與結構施工的安全，又可有效確保項目的經濟收益與社會效益。而對于深基坑的支護設計應從抗傾覆穩定性與樁基嵌入巖深等多方面予以全面考慮，并以保障質量與安全為根本前提，對支護方案予以合理選取，進而確保支護結構安穩無隱患。本項目通過對基坑所在區域的地質水文情況予以全面分析，從適用性與經濟性等多方面對灌注樁支護與土釘墻支護兩類基坑支護方案以及諸類常用降水方案做比選分析，最終選定采取灌注樁懸臂支護結合樁間插縫高壓旋噴樁帷幕止水方案予以實踐應用。經專業軟件分析與施工實踐驗證，該方案很好地達成了既定基坑支護、止水目標，確保了基坑結構安穩，保障了項目施工及周邊環境安全，對類似項目具備一定借鑒參考價值。
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作者：周開永 單位：江西省贛西土木工程勘測設計院
